CN105569665A - 砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，所述施工方法步骤包括：第一步、向刀盘前部注水泥浆，并向土仓注水泥砂浆置换渣土；第二步、将速凝剂浆液注入土仓外面的水泥浆中；第三步、清仓换刀；第四步、恢复掘进。本发明避免了困难的超前注浆施工作业和凿除硬化后水泥砂浆的施工作业，消除了硬化后的水泥砂浆对设备造成的破坏，明确了注浆施工作业方式，有效地减少了施工作业量；本发明施工时间短，效率高，安全性强。

Description

砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧道工程技术领域的施工方法，具体地，涉及一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法。

背景技术

随着我国城市化水平的提高，大量的城际铁路、高速铁道、城市轨道交通建设需要开展，其中有许多隧道工程。大量的隧道需要用盾构法来建造。土压平衡盾构法是盾构法施工中常用的一种全机械施工方法，它采用土压平衡盾构机，通过盾构机前方的刀盘切削土体，并将碴土通过螺旋输送机输送出隧道外，盾构机在外壳和管片的支护下推进。在盾构推进过程中，需要不断地切割岩土，当切割的为坚硬岩层时，刀具会产生过度磨损、炸裂和卡死等破坏刀盘结构，影响正常施工作业，需及时更换刀具。由于各城市所处的地质条件和周围环境的不同，需要在各种地质条件下进行盾构机刀具更换。传统的常压换刀法、带压换刀法和地面加固后换刀法已在盾构法施工过程中得到了广泛应用。但当盾构机处于砂层，盾构机开挖面上部地面无法进行加固施工作业，且砂层自稳能力差、漏气严重时，盾构机刀具更换施工仍存在多方面的技术困难和严重的安全隐患。传统的盾构机刀具更换施工方法难于在砂层中无地面加固条件采用，产生盾构机换刀困难，施工效率低、工期长的不利局面。

对现有的技术文献进行检索后发现两项相关专利的申请，发明专利“[申请号为201010105664.6]，发明名称：砂卵石地层中盾构刀具更换方法”，上述专利盾构机换刀施工需要采取降水措施，在无地面钻孔条件下应用受到限制。发明专利“[申请号为201010554969.5]，发明名称：一种隧道施工用盾构机换刀施工方法”，该专利采用水泥砂浆置换土仓内渣土后，无法防止螺旋输送机内的水泥砂浆硬化，造成设备破坏。该专利凿除硬化后的水泥砂浆工作量大，采用超前注浆加固盾构机上部土体，没有考虑超前注浆施工困难，注浆口极易堵塞，施工速度缓慢等缺点。因此亟需一种无地面加固条件下砂层中快速、安全的土压平衡盾构机换刀施工方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体的换刀施工方法，克服了现有技术中地面无法加固、砂层保气能力差、注浆口易堵塞、注浆施工作业方式不明确、硬化的水泥砂浆造成设备破坏、凿除硬化后的水泥砂浆工作量大、超前注浆加固施工困难等缺点和不足，实现砂层条件下土压平衡盾构机的安全换刀施工。

为实现以上目的，本发明提供一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，所述施工方法通过以下步骤实现：

第一步、向刀盘前部注水泥浆，并向土仓注水泥砂浆置换渣土：

通过刀盘上的注浆口向刀盘前部注水泥浆，注浆压力保持在一设定值；待刀盘前部注入的水泥浆体积达到0.1V后，同时通过土仓内上部的注浆口向土仓内注入已加入缓凝剂的水泥砂浆，保持注浆压力在所述设定值；转动螺旋输送机，输出土仓内的渣土，直至水泥砂浆填满土仓，即螺旋输送机输出水泥砂浆后，停止注水泥砂浆，关闭螺旋输送机；继续向刀盘前部注水泥浆，直至注入水泥浆体积达到V；所述水泥浆体积V根据如下公式计算：

V＝πR²d

式中：R为刀盘的半径；d为所注水泥浆的厚度参数，d通常取0.2m；

第二步、将速凝剂浆液注入土仓外面的水泥浆中：

通过刀盘前的注浆口将速凝剂浆液注入土仓外面的水泥浆中，速凝剂浆液注入量为刀盘前部所注水泥浆用量的4％～6％；

第三步、清仓换刀：

待刀盘前部水泥浆硬化形成加固体，转动螺旋输送机将土仓内未硬化的水泥砂浆输出土仓；待水泥砂浆完全输出土仓后，从下往上进行刀具更换，换刀时稳固安装台面，拆开螺栓和自锁螺母，移除旧刀，更换新刀，上紧螺栓；

第四步、恢复掘进：

待盾构机刀盘上全部刀具更换完成后，盾构机恢复掘进。

优选地，第一步中，所述缓凝剂为能延长水泥水化硬化时间、使水泥浆能在较长时间内保持流塑状态的外加剂，加入适当缓凝剂的水泥砂浆的缓凝时间可达48小时；缓凝剂采用柠檬酸、酒石酸与硼砂进行配比，其成分质量配合比为：柠檬酸：酒石酸：硼砂＝5：1：1。

更优选地，所述缓凝剂的缓凝时间t根据如下公式计算：

t＝kx

式中：k为缓凝剂的缓凝时间性能参数，根据室内试验测定取值为21000h；x为缓凝剂与水泥用量的质量比。

优选地，第一步中，所述加入缓凝剂的水泥砂浆的质量配合比为水泥：砂：水：缓凝剂＝1:a:b:x，其中：0.5≤a≤1.5；1≤b≤2；0.001≤x≤0.003。

优选地，第二步中，所述速凝剂为能加速水泥水化硬化时间、使水泥浆在很短时间内形成足够强度的外加剂，加入速凝剂的水泥浆在12分钟内终凝；速凝剂采用高岭土、高炉矿渣粉及纯碱进行配比，其矿物组成质量配合比为：氧化铝：碳酸钠：氧化钙＝3：2：1。

更优选地，所述速凝剂与水泥用量的质量之比为y，根据已有室内试验测定的关于终凝时间的试验曲线进行选取：

终凝时间为8.5～12分钟之间时，速凝剂与水泥用量的质量之比4％≤y≤5％；

终凝时间为8～8.5分钟之间时，速凝剂与水泥用量的质量之比5％≤y≤6％；

终凝时间为7.5～8分钟之间时，速凝剂与水泥用量的质量之比6％≤y≤8％。

优选地，第二步中，所述速凝剂浆液的质量配合比为速凝剂：水＝1：1。

优选地，第三步中，在换刀过程中如有漏水，采用棉絮和堵漏灵进行封堵。

更优选地，所述堵漏灵为一种快速堵漏的水泥混合物，具有速凝、早强、抗渗、微膨胀、无毒无害的特点。

优选地，第三步中，所述自锁螺母为一种靠摩擦力自锁防松、防振的螺母。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明针对砂层条件下土压平衡盾构机填仓换刀问题，提供一种适用于砂层中进行无地面加固条件下的土压平衡盾构机从土仓外面加固土体的填仓换刀施工方法，相比现有专利技术，该方法避免了困难的超前注浆施工作业和凿除硬化后水泥砂浆的施工作业，消除了硬化后的水泥砂浆对设备造成的破坏，明确了注浆施工作业方式，有效地减少了施工作业量；本发明施工时间短，效率高，安全性强。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中的土压平衡盾构机示意图；

图2为本发明一实施例中的刀盘注浆口位置示意图；

图3为本发明一实施例中的土仓注浆口位置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图3所示，本实施例提供一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体填仓换刀施工方法，即刀盘前加固，用于广州某隧道；盾构机刀盘底部深度为地下14m，停机位置上部地面为交叉路口，为防止因刀具的过度磨损、炸裂和卡死等破坏刀盘结构，影响正常施工作业，需采用填仓换刀的施工方法，保证换刀施工安全有效地进行。

本实施例所述施工方法具体施工步骤简述如下：

第一步、施工现场地质调查：

通过查阅地质勘查报告确定盾构机刀盘底部所处位置以下6m至上部地面的地层分布情况、各土层的渗透系数；调查盾构机刀盘上部地面状况(即从盾构机刀盘底面45°斜线传到地表范围上部已有建筑物或构筑物条件状况)，确定是否有地面加固条件。

本实施例盾构机刀盘底部所处位置以下6m至上部地面的地层分布为：厚度为5m的石灰岩地层、厚度为10.5m的砂层和厚度为4.5m的素填土层，盾构机刀盘处于砂层中；石灰岩地层的渗透系数为0.3m/d，砂层的渗透系数为10m/d；素填土层的渗透系数为0.4m/d。盾构机上部地面为交叉路口，无地面加固条件。

第二步、确定换刀方法：

确定盾构机位于砂层中，且无地面加固条件，本条件下不能对盾构机进行常压换刀，同时砂层保气能力差，不能在砂层中进行带气压换刀。所以对于砂层中盾构机换刀施工，确定采用刀盘前加固填仓换刀的施工方法。

第三步、向刀盘前部注水泥浆，向土仓注水泥砂浆置换渣土：

通过刀盘上的注浆口向刀盘前部注入水泥浆，其中水泥浆的质量配合比为水泥：水＝1：1，注浆压力保持在0.2MPa，刀盘注浆口位置如图2所示；刀盘半径R为3m，根据V＝πR²d，得出水泥浆体积V＝5655L，待刀盘前部注入的水泥浆达到567L，此时刀盘前部土体的空隙被水泥浆填充，采用注浆泵通过土仓内上部的注浆口向土仓内注入已加入缓凝剂的水泥砂浆，其中砂与水泥质量之比a取值为0.75，水与水泥质量之比b取值为1.18，缓凝剂与水泥质量之比x取值为0.0023，注浆压力保持在0.2MPa，土仓注浆口位置如图3所示；转动螺旋输送机，调整螺旋输送机的转动速度保持螺旋输送机的出土体积与注入的水泥砂浆体积相同，此后水泥砂浆与土仓内渣土进行等体积置换，待螺旋输送机输出水泥砂浆，此时水泥砂浆已填满土仓，停止注水泥砂浆，关闭螺旋输送机；继续向刀盘前部注水泥浆，当注入水泥浆体积V达到5655L后，停止注水泥浆。此时土仓内部充满未硬化的水泥砂浆，刀盘前部充满未硬化的水泥浆。

第四步、将速凝剂浆液注入土仓外面的水泥浆中：

通过刀盘上的注浆口向土仓外注入速凝剂浆液，其中速凝剂浆液的质量配合比为速凝剂：水＝1：1，速凝剂与水泥用量的质量之比y取值为5％，即速凝剂浆液注入量为283L。此后1小时内刀盘前部的水泥浆完全硬化，形成位于刀盘前部的加固体。

第五步、清仓换刀：

第四步完成后，等待12小时，刀盘前部土体与水泥浆形成稳固的加固体，此时土仓内的已加入缓凝剂的水泥砂浆尚未硬化；转动螺旋输送机将土仓内尚未硬化的水泥砂浆完全输出土仓，直至无水泥砂浆输出，此时土仓内无渣土和水泥砂浆，具备换刀所需操作空间，清仓过程中的盾构机见图1；水泥砂浆完全输出后，从下往上进行刀具更换，换刀时稳固安装台面，拆开螺栓和自锁螺母，移除旧刀，更换新刀，上紧螺栓；对上部刀具进行更换时，下部已换好刀具处有水滴渗出，采用棉絮堵住下部刀具渗水处缝隙后，采用堵漏灵进行封堵，止水效果良好。

第六步、恢复掘进：

待盾构机刀盘上全部刀具更换完成后，盾构机恢复掘进，盾构机运行良好。

本实施例所述方法针对砂层中无地面加固条件下土压平衡盾构机的换刀施工特点，在盾构机刀盘前部形成有效、安全的加固体，避免凿除土仓内硬化后水泥砂浆的工作，有效防止水泥砂浆硬化对设备造成的破坏，大幅提高换刀施工速度，保障换刀施工的安全。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，所述施工方法通过以下步骤实现：

第一步、向刀盘前部注水泥浆，并向土仓注水泥砂浆置换渣土：

通过刀盘上的注浆口向刀盘前部注水泥浆，注浆压力保持在一设定值；待刀盘前部注入的水泥浆体积达到0.1V后，V为水泥浆体积，同时通过土仓内上部的注浆口向土仓内注入已加入缓凝剂的水泥砂浆，保持注浆压力在所述设定值；转动螺旋输送机，输出土仓内的渣土，直至水泥砂浆填满土仓，即螺旋输送机输出水泥砂浆后，停止注水泥砂浆，关闭螺旋输送机；继续向刀盘前部注水泥浆，直至注入水泥浆体积达到V；所述水泥浆体积V根据如下公式计算：

V＝πR²d

式中：R为刀盘的半径；d为所注水泥浆的厚度参数；

第二步、将速凝剂浆液注入土仓外面的水泥浆中：

通过刀盘前的注浆口将速凝剂浆液注入土仓外面的水泥浆中，速凝剂浆液注入量为刀盘前部所注水泥浆用量的4％～6％；

第三步、清仓换刀：

待刀盘前部水泥浆硬化形成加固体，转动螺旋输送机将土仓内未硬化的水泥砂浆输出土仓；待水泥砂浆完全输出土仓后，从下往上进行刀具更换，换刀时稳固安装台面，拆开螺栓和自锁螺母，移除旧刀，更换新刀，上紧螺栓；

第四步、恢复掘进：

待盾构机刀盘上全部刀具更换完成后，盾构机恢复掘进。

2.根据权利要求1所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，第一步中，所述缓凝剂为能延长水泥水化硬化时间、使水泥浆能在长时间内保持流塑状态的外加剂，缓凝剂采用柠檬酸、酒石酸与硼砂进行配比，其成分质量配合比为：柠檬酸：酒石酸：硼砂＝5：1：1。

3.根据权利要求2所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，所述缓凝剂的缓凝时间t根据如下公式计算：

t＝kx

式中：k为缓凝剂的缓凝时间性能参数，根据室内试验测定取值为21000h；x为缓凝剂与水泥用量的质量比。

4.根据权利要求1所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，第一步中，所述加入缓凝剂的水泥砂浆的质量配合比为水泥：砂：水：缓凝剂＝1:a:b:x，其中：0.5≤a≤1.5；1≤b≤2；0.001≤x≤0.003。

5.根据权利要求1所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，第二步中，所述速凝剂为能加速水泥水化硬化时间、使水泥浆在很短时间内形成足够强度的外加剂；速凝剂采用高岭土、高炉矿渣粉及纯碱进行配比，其矿物组成质量配合比为：氧化铝：碳酸钠：氧化钙＝3：2：1。

6.根据权利要求5所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，所述速凝剂与水泥用量的质量之比为y，根据已有室内试验测定的关于终凝时间的试验曲线进行选取：

终凝时间为8.5～12分钟之间时，速凝剂与水泥用量的质量之比4％≤y≤5％；

终凝时间为8～8.5分钟之间时，速凝剂与水泥用量的质量之比5％≤y≤6％；

终凝时间为7.5～8分钟之间时，速凝剂与水泥用量的质量之比6％≤y≤8％。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，第二步中，所述速凝剂浆液的质量配合比为速凝剂：水＝1：1。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，第三步中，在换刀过程中如有漏水，采用棉絮和堵漏灵进行封堵；所述堵漏灵为一种快速堵漏的水泥混合物。

9.根据权利要求1-5任一项所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，第三步中，所述自锁螺母为一种靠摩擦力自锁防松、防振的螺母。

10.根据权利要求1-5任一项所述的一种砂层中土压平衡盾构机从土仓外面加固土体换刀施工方法，其特征在于，第一步中，所述注浆压力保持在一设定值，其中设定值为0.2MPa；所述d取0.2m。